物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計選擇無線SoC時應(yīng)考慮哪些問題

為您的設(shè)計選擇無線片上系統(tǒng) （SoC） 并非易事。它需要仔細考慮幾個因素，包括功耗、尺寸和成本。SoC 還需要為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)支持正確的無線協(xié)議，這需要范圍、延遲和吞吐量等因素。

確保您的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計針對應(yīng)用進行優(yōu)化的一種方法是仔細考慮您選擇的無線 SoC。它還需要仔細評估設(shè)計的關(guān)鍵要求（包括電池壽命、計算和內(nèi)存資源以及占用空間），因為根據(jù)應(yīng)用的不同，需要權(quán)衡性能。

設(shè)計人員在為其產(chǎn)品選擇無線SoC時需要考慮許多因素，恩智浦半導(dǎo)體無線連接、安全連接邊緣產(chǎn)品營銷經(jīng)理Max Palumbo說?！霸谶x擇什么設(shè)備或架構(gòu)方面沒有正確的答案，因為這取決于產(chǎn)品設(shè)計師愿意做出的一系列工程權(quán)衡，以滿足其最終客戶的需求。

業(yè)界也一致認為，具有全面支持工具和服務(wù)的強大開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。這些產(chǎn)品和原型設(shè)計工具及服務(wù)可以幫助設(shè)計人員縮短上市時間并降低成本。

因此，讓我們看看工程師在為其物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計選擇無線SoC時應(yīng)考慮的一些首要設(shè)計問題，以及一些最大的挑戰(zhàn)和權(quán)衡。

用例決定設(shè)計

大多數(shù)無線 SoC 制造商都認為，應(yīng)用要求決定了無線 SoC 的選擇，并有助于縮小物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的選擇范圍。他們說，最關(guān)鍵的因素之一是功耗，其次是許多其他考慮因素，例如無線協(xié)議，性能，成本，尺寸，工具支持和易于集成。

雖然功耗是選擇無線SoC的最關(guān)鍵因素之一，但無線協(xié)議的選擇由應(yīng)用決定。

最終應(yīng)用決定了優(yōu)先級，Synaptics Incorporated無線連接產(chǎn)品營銷高級總監(jiān)Brandon Bae說。

他列舉了一些應(yīng)用示例，其中設(shè)計優(yōu)先級定義了無線SoC的選擇。

“例如，如果它是一個電池供電的設(shè)備，例如具有單個藍牙連接的可穿戴設(shè)備，他們可能會選擇我們的SYN20703P [單芯片藍牙收發(fā)器和基帶處理器]，”Bae解釋說。“如果是無人機，他們可能需要我們的SYN43400 Wi-Fi SoC，因為功耗、尺寸和重量非常重要，開發(fā)人員必須根據(jù)他們的上市策略做出決定。

“無人機可能還需要Wi-Fi和藍牙，”他補充說。“在這一點上，應(yīng)用所需的無線接口數(shù)量變得很重要，而兩者的集成SoC通常是最好的方法。我們的 SYN43756 [單芯片 IEEE 802.11ax 2 × 2 MAC/基帶/無線電，集成藍牙 5.2] 是一個很好的解決方案。

Bae還指出，“應(yīng)用程序依賴性可以延申到包括把物聯(lián)網(wǎng)的聚合點或網(wǎng)關(guān)，其中多個異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)集成在一起。他說，這將受益于藍牙，Wi-Fi和Zigbee / Thread（IEEE 802.15.4 PHY）的更高集成度，例如Triple Combo SYN4381無線SoC提供的集成度。

Silicon Labs無線產(chǎn)品營銷高級總監(jiān)Dhiraj Sogani對此表示贊同：“每種無線協(xié)議都扮演著不同的角色，最終應(yīng)用用例對于為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備決定一個或多個這些協(xié)議是最重要的。

Sogani表示，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備選擇無線SoC有幾個關(guān)鍵因素，這些因素因應(yīng)用而異。他的五大考慮因素對各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都很重要，包括無線協(xié)議;安全;電池壽命;硬件和軟件支持，包括外圍設(shè)備、GPIO、IDE 支持、云支持和網(wǎng)絡(luò)/無線堆棧集成;以及操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)堆棧和無線堆棧集成到無線 SoC 后可用于應(yīng)用程序的計算和內(nèi)存資源。

他說，對于無線協(xié)議，應(yīng)用程序要求包括吞吐量，延遲，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量和范圍?！半S著越來越多的功能集成到設(shè)備中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備每天都變得越來越復(fù)雜。將無線技術(shù)添加到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備會增加復(fù)雜性。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中使用了許多無線協(xié)議，包括Wi-Fi，BT，BLE，Zigbee，Thread，Z-Wave和蜂窩。特定設(shè)備的無線通信協(xié)議的選擇取決于應(yīng)用、尺寸、成本、功率和其他幾個因素。

Sogani列舉了幾個例子，其中應(yīng)用程序和性能要求是決策的關(guān)鍵。

“BLE協(xié)議用于家庭溫度傳感器極佳，因為它低功耗，成本低于其他一些協(xié)議，并且在典型的家庭環(huán)境中提供必要的范圍，”他說?！?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/nfc/" target="_blank">NFC提供最低的吞吐量和最短的范圍，使其成為非接觸式支付應(yīng)用的理想選擇。Wi-Fi 提供了多個應(yīng)用（如安全攝像頭）所需的更高吞吐量。

設(shè)計挑戰(zhàn)

大多數(shù)芯片制造商都認為，無線SoC可以通過集成不同的無線協(xié)議和處理多種協(xié)議來簡化設(shè)計，但兩者之間的共存是有挑戰(zhàn)的。這樣做還可以節(jié)省空間，這是許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。但是，在某些用例中，分立式解決方案可以在性能和成本方面提供最佳價值。

“無線SoC的好處很多，包括保證經(jīng)過驗證的設(shè)計，更短的上市時間，更小的整體占用空間，更低的物料清單[BOM]和更低的庫存管理成本，”Synaptics的Bae說。“這些優(yōu)勢幾乎適用于所有終端應(yīng)用，但在某些情況下，如果客戶有特定要求，并且具有在該方向上實施的RF設(shè)計技能和資源，則分立解決方案可能會更好地工作。

恩智浦的Palumbo表示，在確定如何構(gòu)建包含無線連接的最終產(chǎn)品時，“產(chǎn)品設(shè)計人員必須做出的第一個決定是使用單個集成的無線SoC還是將無線與處理器分開。需要做出的同樣重要的決定是將使用哪種操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的決定將迅速將設(shè)計人員轉(zhuǎn)向成本較低、基于RTOS的微控制器，或者轉(zhuǎn)向更大、更具可擴展性、基于Linux的處理器。

Palumbo說，集成無線SoC在物理上更小，并且由于集成而可能成本更低，使最終產(chǎn)品設(shè)計人員能夠提供更小的產(chǎn)品或更具創(chuàng)新性的外形。

“然而，集成無線SoC的挑戰(zhàn)在于設(shè)計人員缺乏獨立優(yōu)化計算性能或無線性能的靈活性，并且無線SoC本身的功能是不變的，因此沒有那么多的能力來優(yōu)化產(chǎn)品的單個組件，”他說。

無論是使用集成解決方案還是分立解決方案，功耗仍然是受系統(tǒng)架構(gòu)和用例影響的關(guān)鍵因素?！斑@意味著在某些情況下，涉及獨立無線電和處理器芯片的多芯片解決方案可能更容易優(yōu)化，”Palumbo說?！霸谄渌闆r下，無線處理器可以提供特定應(yīng)用和用例所需的所有必要靈活性。

Palumbo提供了一些功耗起著關(guān)鍵作用的關(guān)鍵例子?！袄?，簡單的終端應(yīng)用，如傳感器或執(zhí)行器，具有低通信占空比，并且不執(zhí)行任何輔助網(wǎng)絡(luò)功能，如路由，設(shè)計人員在使用集成無線SoC時將看到最低的功耗。這種類型的應(yīng)用可以通過恩智浦的K32W148無線微控制器等設(shè)備來解決。

“然而，對于更復(fù)雜的設(shè)備 - 例如恒溫器 - 數(shù)據(jù)包路由是終端設(shè)備和目標(biāo)生態(tài)系統(tǒng)整體用戶體驗的重要特征，分立解決方案可能功耗更低，”他說。“如果網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器[NCP]與主計算SoC一起包含，那么這允許卸載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，以便只需要協(xié)處理器本身喚醒以路由數(shù)據(jù)包。

在此示例中，恩智浦 i.MX 微處理器（如 i.MX 8M Mini）可用作計算SoC，恩智浦RW612無線MCU可用作NCP，IW612三射頻解決方案可用作無線電協(xié)處理器。“這有助于顯著降低系統(tǒng)的功耗 - 特別是當(dāng)NCP與基于Linux的微處理器一起使用作為主要計算平臺時，”Palumbo說。

他補充說，產(chǎn)品設(shè)計師必須做出這些權(quán)衡，并選擇最對客戶有意義的架構(gòu)，為他們帶來的價值。

設(shè)計權(quán)衡

根據(jù)無線SoC制造商的說法，無線集成可能非常具有挑戰(zhàn)性，尤其是當(dāng)它與RF電路有關(guān)時，所有權(quán)衡都由應(yīng)用驅(qū)動。

意法半導(dǎo)體無線產(chǎn)品線營銷經(jīng)理Nathalie Vallespin表示，挑戰(zhàn)通常在于解決方案的無線電集成部分，以提供高質(zhì)量的產(chǎn)品性能并滿足法規(guī)和協(xié)議認證要求。

“無線SoC簡化了集成階段，因為大多數(shù)首次轉(zhuǎn)向無線解決方案的客戶都不是RF專家，因此集成簡化并加速了他們的開發(fā)和生產(chǎn)，”她說?！凹山鉀Q方案[SoC]也簡化了最終客戶的產(chǎn)品采購，甚至可以使用包含整個參考設(shè)計的模塊進一步簡化。

此外，Vallespin表示，“SoC還確保了無線電協(xié)議和應(yīng)用的更高效的功耗和性能水平，而多芯片解決方案則為軟件管理帶來了連接接口限制和復(fù)雜性。分立/多芯片方法也可能導(dǎo)致過度消耗，以保持主機和無線電運行以正常通信。

Synaptics的Bae表示，RF存在許多挑戰(zhàn)，但“可以通過仔細考慮電路板布局，接地，設(shè)計中其他數(shù)字IC的相對定位以避免干擾以及天線放置和布線來解決。除了布局之外，設(shè)計人員或開發(fā)人員還需要認識到電源切換、其他電磁干擾源和外殼材料選擇對SoC的影響。

無線SoC集成可能變得具有挑戰(zhàn)性，這取決于它支持的無線協(xié)議數(shù)量和應(yīng)用，Silicon Labs的Sogani說。

他列舉了幾個挑戰(zhàn)，包括硬件集成（天線放置、射頻設(shè)計等）、軟件開發(fā)（無線協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、云連接、應(yīng)用程序開發(fā)）、射頻測試（包括極端條件）、互操作性測試（與它應(yīng)該連接的其他設(shè)備）、無線共存（多個協(xié)議需要共存）、生產(chǎn)測試（最大限度地減少測試時間和產(chǎn)量）、監(jiān)管認證（針對要支持的國家）， 協(xié)議合規(guī)性（針對設(shè)備中集成的協(xié)議）、功耗優(yōu)化（基于電池要求）、系統(tǒng)安全性（確保設(shè)備和數(shù)據(jù)安全）和解決方案成本（基于目標(biāo)）。

Sogani說，設(shè)計人員需要在每一步都做出權(quán)衡，以便在各種參數(shù)之間進行優(yōu)化，而所有這些權(quán)衡最終都是由應(yīng)用程序用例驅(qū)動的。

“由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要支持多種協(xié)議，無線SoC提供了一個集成解決方案，通過集成這些協(xié)議和處理內(nèi)部同一ISM頻段上多個協(xié)議之間的共存挑戰(zhàn)來簡化設(shè)計，而不必擔(dān)心管理和擔(dān)心多個設(shè)備的RF設(shè)計，”他補充說?！斑@有助于加快開發(fā)周期，并在各種協(xié)議之間實現(xiàn)更無縫的功能。終端應(yīng)用確實發(fā)揮著作用，因為可以將分立芯片用于更簡單的應(yīng)用，但隨著應(yīng)用變得復(fù)雜，使用集成解決方案更有意義。

Vallespin說，了解和選擇最適合應(yīng)用和市場需求的正確技術(shù)是一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)。她說，另一個挑戰(zhàn)是了解所選的無線電協(xié)議并選擇正確的硬件（天線，路由，BOM選擇）和匹配軟件，這些軟件可以特定于每種技術(shù)。

Vallespin補充說，關(guān)鍵的權(quán)衡是平衡價格與功能以及選擇架構(gòu) - 主機+協(xié)處理器方法或單個應(yīng)用處理器。

支持和可用性

除了性能問題之外，開發(fā)和設(shè)計支持以及持續(xù)可用性等供應(yīng)鏈問題是許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計人員的優(yōu)先事項。

Vallespin說，主要問題包括產(chǎn)品及其開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)如何有效地縮短上市時間和成本，產(chǎn)品和原型工具的可用性以及產(chǎn)品的長期可用性。

設(shè)計人員還需要問幾個問題，例如，只要他們的產(chǎn)品在市場上，SoC 是否保證就可用，SoC 的路線圖是什么，它是否符合他們的產(chǎn)品開發(fā)計劃，以及是否有足夠的支持可用性，包括文檔， 她補充說，生態(tài)系統(tǒng)和聯(lián)系以確保成功。

恩智浦的Palumbo認為，壽命要求是權(quán)衡的一部分。

“一旦產(chǎn)品出貨，硬件本身就不會改變;但是，最終客戶期望該產(chǎn)品在購買后的一段時間內(nèi)將繼續(xù)得到支持并獲得更新，“Palumbo 說?！斑x擇一種設(shè)備和一種產(chǎn)品架構(gòu)，使產(chǎn)品設(shè)計人員能夠在產(chǎn)品的生命周期內(nèi)提供更新，這是一個越來越重要的標(biāo)準(zhǔn)。

Palumbo說，在選擇無線SoC時，軟件架構(gòu)也是另一個關(guān)鍵考慮因素?！盁o論產(chǎn)品架構(gòu)如何，無論是集成無線SoC還是分立式，這些SoC的軟件工具和環(huán)境都是與硬件同樣重要的組件。無論設(shè)備是基于Linux的，基于Android的還是基于RTOS的 - 那怕不考慮從無數(shù)可用的解決方案中使用哪些RTOS的版本,?都會對最終產(chǎn)品產(chǎn)生巨大影響。

編輯：黃飛

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